Поликристаллические полупроводники

Поликристаллические полупроводники являются исходным сырьем для выращивания монокристаллов. Основной проблемой при получении поликристаллических полупроводников является достижение максимальной чистоты, определяемой минимальными концентрациями неконтролируемых примесей или разностной концентрацией основных носителей заряда в сочетании с минимальной степенью компенсации. В отдельных случаях в полупроводниках лимитируют содержание некоторых примесей (кремния в полупроводниковых соединениях, кислорода и углерода в элементарных полупроводниках).

Поликристаллические полупроводниковые материалы имеют большие потенциальные возможности применения в микроэлектронике и производстве дешевых тонкопленочных солнечных батарей. Прогресс технологий получения поликристаллических пленок уже позволил предложить много новых устройств: резисторов, диодов, биполярных и MOS-транзисторов. Потенциальная полезность поликристаллических полупроводников зависит от кристаллического совершенства зерен и электронных свойств их границ.

Распространенными методами получения поликристаллических пленок полупроводниковых соединений являются процессы вакуумного и плазменного напыления. Поликристаллические слои GaAs и других соединений A^IIIB^Vполучают методом МОС-гидридной технологии, обеспечивающей низкие температуры наращивания, воспроизводимость размеров зерна и высокую однородность пленок по толщине. Пленки можно наращивать на металлические, графитовые, алундовые подложки и подложки из кварцевого стекла. Для получения поликристаллических слоев кремния обычно используют традиционные методы кристаллизации из газовой фазы с применением в качестве летучих кремнийсодержащих веществ моносилана, дихлорсилана, трихлорсилана и тетрахлорсилана.

Одной из важнейших характеристик поликристаллических пленок является размер зерна. Размер зерна зависит от температуры осаждения, состава газовой фазы, скорости кристаллизации и типа используемой подложки. При прочих равных условиях размер зерна зависит от природы вводимой легирующей примеси. Поликристаллические слои, получаемые при кристаллизации из газовой фазы, обычно текстурированы, причем степень их текстурирования возрастает с повышением температуры осаждения. Для управления размером зерна и текстурой поликристаллических пленок используют процесс твердотельной рекристаллизации. Для рекристаллизации тонких слоев применяют нагрев лазерным или электронным лучом, а также нагрев с помощью специальных ленточных нагревателей сопротивления. Поликристаллические пленки с контролируемым размером зерна и текстурой могут быть получены путем перекристаллизации аморфных и мелкокристаллических слоев, осажденных на аморфных подложках, на поверхность которых с помощью травления наносится специальный рельеф, например, в виде микронных размеров треугольной или квадратной сетки (графоэпитаксия),

Для получения необходимых электрических свойств поликристаллические полупроводники легируют. Наиболее распространенные методы легирования — легирование из газовой фазы в процессе получения слоев и ионная имплантация. При диффузионной технологии изготовления приборов на основе поликристаллического кремния в качестве источников используют низкоомные сильно легированные традиционными примесями поликристаллические слои кремния. Такая технология позволяет существенно повысить воспроизводимость по толщине и свойствам диффузионно-легированных слоев и применяется при создании эмиттеров в микроволновых транзисторах и затворов в структурах металл-диэлектрик-полупроводник.

Границы зерен являются основными структурными дефектами в поликристаллических слоях и оказывают существенное влияние на формирование электрофизических свойств таких материалов. Время жизни и подвижность носителей заряда зависят от размера зерен. Границы зерен в полупроводниках обладают специфическими электрическими и рекомбинационными свойствами, которые реализуются в ряде приборных применений. Наличие примесей и дефектов на межзеренных границах приводит к возникновению на них несбалансированного электрического заряда. При этом проводимость поликристаллического образца в целом может меняться на много порядков. Межзеренные границы, в общем случае, двояким образом влияют на электронные свойства материала. Во-первых, потенциальные барьеры, создаваемые межзеренными границами, существенно уменьшают подвижности основных носителей заряда, что приводит к увеличению эффективного удельного сопротивления полупроводника. Это нежелательно для многих практических применений не только из-за повышенных удельных сопротивлений, но и из-за трудностей получения образцов с воспроизводимым удельным сопротивлением. Во-вторых, межзеренные границы — это оборванные связи, которые могут являться ловушками носителей, притягивать к себе примеси или собственные дефекты. Эти состояния губят подвижности и времена жизни неосновных носителей заряда. В то же время граница зерен, являясь серьезным нарушением совершенства кристаллической решетки, играет роль эффективного внутреннего геттера, способствующего очистке основного объема материала от остаточных примесей и собственных точечных дефектов.

Наиболее широкое применение в полупроводниковом приборостроении находят поликристаллические слои кремния. Эти слои используют для таких элементов интегральных схем, как резисторы, диоды, полевые и биполярные транзисторы. Высокоомные поликристаллические слои кремния используют для изоляции активных элементов интегральных схем. Поликристаллические тонкие пленки также перспективны для солнечной энергетики. Слои из поликристаллических полупроводниковых материалов применяются при создании солнечных батарей наземного применения. Если размер зерна существенно превышает величину диффузионной длины носителей заряда, то границы зерен не должны оказывать большого влияния на процессы рекомбинации в материале и рабочие характеристики фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии. Для кремния, который является непрямозонным полупроводником, толщина слоя поглощения солнечного излучения составляет 50-100 мкм, это условие выполняется при размере отдельных кристаллитов. В прямозонных полупроводниках типа GaAs и Cu₂S толщина слоя поглощения составляет единицы микрометров, а соответствующий критический размер зерна не превышает нескольких десятков микрометров. Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe₂) – 99 % света поглощается в первом микроне этого материала (ширина запрещенной зоны – 1, 0 эВ). Наиболее распространенным материалом для изготовления окна солнечной батареи на основе CuInSe₂ является CdS. Теллурид кадмия (CdTe) — еще один перспективный материал для фотовольтаики. У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1, 44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg с другими элементами для создания слоев с заданными свойствами.

Поликристаллические пленки PbS, PbTe, PbSе применяются для создания эффективных детекторов ИК-излучения. На основе поликристаллических пленочных гетероструктур в системах Cu₂S/CdS, Cu₂S/Zn_1-xCd_xS, CuInSe₂/CdS создаются преобразователи солнечной энергии. Тонкие поликристаллические пленки металлооксидных полупроводников на основе SnO2, ZnO и др. широко применяются в качестве газочувствительных слоев в твердотельных датчиках газов.